Publicidad aplastante. Primera parte

He tenido oportunidad de trabajar con aeronaves ejecutivas, especificamente jets con capacidad de 8-12 pasajeros, les comparto un poco de mi experiencia.

Este post nació de una presentación para mostrar los riesgos de volar a una velocidad cercana a Mach = 1.  Pero en realidad, es publicidad disfrazada de la familia de aeronaves ejecutivas Falcon que nos presentan como riesgoso el volar a dichas velocidades.

Aquí únicamente hay una explicación bastante superficial, es recomendable buscar libros de aerodinámica para entender bien el tema.

Debe aclararse una cosa, esta presentación es bastante antigua (quizás 30 años) por lo que tal vez las aeronaves modernas sobrepasan sin problema las cualidades destacadas en esta entrada.

Resaltando las limitaciones de las aeronaves más populares de la época, se habla del MMO Speed (Mach Maximum Operating Speed) y puede notarse que las aeronaves Falcon sobrepasan el 0.85 Mach.

Limitaciones de número de Mach de diversas aeronaves ejecutivas

Otra característica que se resalta es la VMO speed (Maximum operating velocity), de nueva cuenta esto se nota que las aeronaves Falcon son superiores en este aspecto.

Limitaciones de velocidad operativa máxima de diversas aeronaves

Para comprender un poco más lo anterior, debe recordarse el concepto de velocidad del sonido, esta depende de la temperatura por lo que en diferentes altitudes la velocidad del sonido será diferente.

Velocidad del sonido en nudos reales (KTAS) del nivel del mar hasta 50,000 pies. Nótese que aproximadamente a 38,000 pies esta velocidad prácticamente no varía debido a que las propiedades de la atmósfera son casi las mismas.

 Estas características aerodinámicas están influenciadas por el diseño del ala siendo el flechado quizás lo que más determina el número de Mach máximo al que puede operarse de manera segura una aeronave. Resulta evidente que para obtener un mejor desempeño es necesario que el ala sea cuidadosamente diseñada. Los ingenieros de diseño pasan muchas más horas en túnel de viento y en simulaciones por computadora probando las características de vuelo en crucero, esto es debido a que la aeronave pasará la mayor parte de su vida útil en esta fase de vuelo.

Más flechado en el ala puede contribuir que la aeronave tenga un mejor desempeño en crucero, aunque esto tiene consecuencias en el alcance y la distancia requerida en pista para despegue.

Otro aspecto a considerar es el perfil de ala, debe considerarse uno de alta velocidad y una vez elegida, debe estudiarse la distribución de presión sobre el ala. 

 

Arrastre en del perfil de ala con respecto al número de Mach. A medida que la velocidad se incrementa el arrastre por fricción pasa a segundo término y el arrastre que es causado por la onda de choque llega a ser predominante.

Las ondas de choque se hacen notables cuando la velocidad se acerca a Mach = 1 y a cierta velocidad el flujo sobre el extrados se vuelve sónico (M = 1), en ese momento se puede decir que el ala está sometida a número de Mach crítico.

Si el número de Mach crítico es excedido, se forma un área de flujo supersónico y se forma onda de choque normal. Si se excede este número de Mach de un 5 a un 10% la onda de choque es débil y no representa gran riesgo.

Cuando se excede demasiado el número de Mach crítico se crea una onda de choque fuerte y el arrastre aumenta de manera súbita o lo que se conoce como número de Mach de divergencia de arrastre.

Número de Mach de divergencia de arrastre. Para este momento, la onda de choque es lo suficientemente fuerte para alterar la distribución de presión del ala, lo cual repercute en el levantamiento producido por el ala.

Volar a dicha velocidad trae consecuencias como la pérdida de la efectividad del elevador debido a la separación del flujo por la formación de la onda de choque. También se altera la ubicación del centro de presión (se mueve hacia atrás) por lo que la nariz de la aeronave "baja" causando que el número de Mach aumente aún mas, agravando el problema.

Pérdida de efectividad del elevador debida a la onda de choque por número de Mach supersónico local. 

Se tienen efectos devastadores cuando se excede el número de Mach limitado. La estela turbulenta dejada por la onda de choque induce un golpeteo (buffeting) de alta frecuencia en las superficies de control. En el caso de los alerones, estos pueden rebotar de tope a tope, lo que puede causar daño estructural o la pérdida de control de la aeronave. En algunos casos, las fuerzas de control producida por los alerones parecieran estar al revés.

En resumen, exceder el número de Mach puede causar lo siguiente

• Zumbido de las superficies de control
• Pérdida del control normal de las superficies de control

¿Cómo se podría evitar que la superficie de control se quede inamovible a pesar de estas fuerzas aerodinámicas?

Los ingenieros de Falcon superaron este problema usando un sistema de control de vuelo  irreversible accionado de manera hidráulica, lo que mantiene rígidas las superficies. El siguiente video es de un Hawker 800 (aeronave típica ejecutiva), en estas aeronaves los movimientos de las superficies de control se llevan a cabo por poleas y cables por lo que se puede apreciar perfectamente lo que sucede. 

 

Debido a las oscilaciones de los alerones reportadas en estas aeronaves se emitió el boletín de la parte superior, se recomienda leerlo completo.

 Por lo anterior, se puede notar que la familia de aeronaves ejecutivas Falcon de la época era superior por estas 3 características:

• Flechado
• Diseño de perfil del ala de alta velocidad
• Controles de vuelo hidráulicamente accionados 

Muy pronto la segunda parte de esta entrada

AHC